特許 7042383 多管式熱交換器及び熱交換システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-16

(45)【発行日】2022-03-25

(54)【発明の名称】多管式熱交換器及び熱交換システム

(51)【国際特許分類】

   F28F 9/00 20060101AFI20220317BHJP

【ＦＩ】

F28F9/00 331

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021178155

(22)【出願日】2021-10-29

【審査請求日】2021-11-17

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000157946

【氏名又は名称】岩井機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101236

【弁理士】

【氏名又は名称】栗原 浩之

(74)【代理人】

【識別番号】100166914

【弁理士】

【氏名又は名称】山▲崎▼ 雄一郎

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 大樹

(72)【発明者】

【氏名】田中 一道

【審査官】河野 俊二

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１１２０１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５６－１０７１９３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１２－１８０８７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００３／０２３４０９９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２８Ｆ ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シェル、前記シェルに収容される複数のチューブ、及び前記チューブの両端部を支持する固定管板を備える多管式熱交換器であって、
前記固定管板を前記シェルに着脱可能に固定する着脱構造と、
前記シェルに設けられ、長手方向に伸縮する伸縮部と、を備え、
前記チューブ及び前記シェルに同じ被処理液体として飲料又は液状の医薬を流通させ、被処理液体同士で熱交換するように構成され、
前記固定管板は、一部が前記シェルの内部に収容され、残りの一部が前記シェルの開口から外側に向けて突出した突出部であり、前記突出部には側面に沿って溝部が形成されており、
前記着脱構造は、
前記シェルの内面と前記固定管板の側面との間に取り付けられる環状のシール部材と、
前記溝部に嵌合する被クランプ部材と、
前記被クランプ部材が前記溝部に嵌合し、かつ前記被クランプ部材及び前記シェルと前記固定管板との間に前記シール部材が挟まれた状態で、前記突出部に向けて荷重を掛けた状態を維持し、又は当該状態を解除することが可能なクランプ部材と、を備える
ことを特徴とする多管式熱交換器。

【請求項2】

請求項１に記載の多管式熱交換器において、
前記伸縮部は、前記シェルに設けられたベローズであり、
前記ベローズを構成する各山の幅（Ｗ）と高さ（Ｈ）の比（Ｗ／Ｈ）は、０．９±０．
３である
ことを特徴とする多管式熱交換器。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載の多管式熱交換器において、
前記固定管板を覆い、複数の前記チューブに共通した流路を形成する蓋部材を備え、
前記蓋部材は、前記固定管板の前記突出部に着脱可能に取り付けられる
ことを特徴とする多管式熱交換器。

【請求項4】

請求項１から請求項３の何れか一項に記載の多管式熱交換器と、
被処理液体を加熱する加熱手段と、を備え、
前記多管式熱交換器の前記チューブを流通した被処理液体が前記加熱手段によって加熱
され、その後、前記多管式熱交換器の前記シェルに戻されて前記チューブを流通する被処
理液体と熱交換する
ことを特徴とする熱交換システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、多管式熱交換器及び熱交換システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、被処理液体を加熱又は冷却するために、多管式熱交換器が用いられている。多管式熱交換器は、口径の大きな配管であるシェルの内部に、口径の小さな配管である複数本のチューブを配置し、チューブの両端を固定管板を介してシェルに取り付けた構成である。一般的に多管式熱交換器はシェルに熱冷媒を流通させ、チューブに清涼飲料などの被処理液体を流通させて熱交換を行う。

【0003】

また、多管式熱交換器では、熱によってシェルとチューブが伸縮するが、それらの伸縮長には差がある。このような伸縮差によって生じる応力によって、シェル、チューブ、固定管板などが破損するおそれがある。

【0004】

そこで、特許文献１には、シェルにベローズを設けることでシェルとチューブの伸縮差を吸収する多管式熱交換器が開示されている。

【0005】

上述したように多管式熱交換器では被処理液体とは異なる熱冷媒を用いて被処理液体を加熱又は冷却するが、熱回収率を向上させる観点では被処理液体同士で熱交換を行うことが望ましい。

【0006】

しかしながら、特許文献１の多管式熱交換器においては、被処理液体同士で熱交換を行っておらず、熱回収率が低いという問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】実開昭５６－１０７１９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、上記事情に鑑み、シェルとチューブの伸縮差を吸収し、被処理液体の洗浄性及び熱回収率を向上することができる多管式熱交換器及び熱交換システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決する本発明の一態様は、シェル、前記シェルに収容される複数のチューブ、及び前記チューブの両端部を支持する固定管板を備える多管式熱交換器であって、前記固定管板を前記シェルに着脱可能に固定する着脱構造と、前記シェルに設けられ、長手方向に伸縮する伸縮部と、を備え、前記チューブ及び前記シェルに同じ被処理液体として飲料又は液状の医薬を流通させ、被処理液体同士で熱交換するように構成され、前記固定管板は、一部が前記シェルの内部に収容され、残りの一部が前記シェルの開口から外側に向けて突出した突出部であり、前記突出部には側面に沿って溝部が形成されており、前記着脱構造は、前記シェルの内面と前記固定管板の側面との間に取り付けられる環状のシール部材と、前記溝部に嵌合する被クランプ部材と、前記被クランプ部材が前記溝部に嵌合し、かつ前記被クランプ部材及び前記シェルと前記固定管板との間に前記シール部材が挟まれた状態で、前記突出部に向けて荷重を掛けた状態を維持し、又は当該状態を解除することが可能なクランプ部材と、を備えることを特徴とする多管式熱交換器にある。

【0010】

上記課題を解決する本発明の一態様は、上記多管式熱交換器と、被処理液体を加熱する加熱手段と、を備え、前記多管式熱交換器の前記チューブを流通した被処理液体が前記加熱手段によって加熱され、その後、前記多管式熱交換器の前記シェルに戻されて前記チューブを流通する被処理液体と熱交換することを特徴とする熱交換システムにある。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、シェルとチューブの伸縮差を吸収し、被処理液の洗浄性及び熱回収率を向上することができる多管式熱交換器及び熱交換システムが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】熱交換システムの概略図である。

【図2】多管式熱交換器の断面図である。

【図3】着脱構造を示す断面図である。

【図4】図１の一部を拡大した断面図である。

【図5】バッフル板の斜視図である。

【図6】多管式熱交換器とバッフル板の配置を説明するための図である。

【図7】バッフル板の平面図である。

【図8】伸縮部の変形例を示す断面図である。

【図9】上流蓋部材及び下流蓋部材の変形例を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

図１から図４を用いて、本実施形態に係る多管式熱交換器（以降、熱交換器ともいう）及びこれを用いた熱交換システムを説明する。なお、図１においてシェル流入口２１、シェル流出口２２、チューブ流入口６５、チューブ流出口６６は、作図の都合上、図２のものとは配置を異ならせている。また、実施形態の説明は例示であり、本発明は以下の説明に限定されない。

【0014】

図１に示すように、熱交換システム２は、３台の多管式熱交換器１と、被処理液体を加熱する加熱手段７０とを備えている。３台の多管式熱交換器１は、被処理液体同士で熱交換を行うように構成されており、それぞれ個別に言及する際には１Ａ、１Ｂ、１Ｃの符号を用いる。

【0015】

加熱手段７０は、多管式熱交換器７１と、加熱装置群７２とから構成されている。多管式熱交換器７１は、一般的な多管式熱交換器であり、被処理液体をそれとは異なる熱媒で熱交換するように構成されている。

【0016】

加熱装置群７２は、蒸気や熱水などの熱媒体を多管式熱交換器７１のシェルに供給するための装置群からなる。例えば、加熱装置群７２は、温水や蒸気などの熱媒を製造する熱媒製造装置、熱媒を多管式熱交換器７１に送るためのポンプ、各種配管、バルブ等から構成されている。熱媒製造装置としては、ガスなどの燃料を燃焼して温水や蒸気を製造するものであってもよいし、他の装置や設備で発生した熱を用いて温水や蒸気を製造するものであってもよい。また熱媒製造装置は、多管式熱交換器７１に送られる水に蒸気を吹き込むようにしてもよいし、又は、多管式熱交換器７１に蒸気を直接吹き込むようにしてもよい。

【0017】

図２に示すように、熱交換器１は、チューブ１０と、シェル２０と、固定管板３０と、バッフル板４０とを備えている。熱交換器１は、チューブ１０やシェル２０が水平方向に延びるよう配置されている。なお、チューブ１０やシェル２０は、厳密に水平方向に延びている必要はなく、少なくとも垂直方向に延びておらず、斜め方向に延びていてもよい。

【0018】

チューブ１０は、被処理液体が流通する部材であり、円筒状に形成されている。チューブ１０には被処理液体が流通する。チューブ１０は複数本使用されており、何れもシェル２０内に配置されている。なお、チューブ１０の具体的な本数については特に限定はないし、形状についても円筒に限らず、屈曲した形状であってもよい。

【0019】

シェル２０は、複数のチューブ１０を内部に収納する部材であり、円筒状に形成されている。また、シェル２０には、液体の出入口となるシェル流入口２１及びシェル流出口２２が設けられている。

【0020】

シェル２０には、バッフル板４３とバッフル板４４との間にベローズ２５が形成されている。ベローズ２５は、シェル２０の外周面の一部が外側に向けて突出した山状の部分を、シェル２０の長さ方向に複数個繰り返し設けたものである。本実施形態では３つの山状の部分が形成されてベローズ２５を成している。なお、ベローズ２５はこのような構成に限定されず、山状の部分を螺旋状に設けることでベローズとしてもよい。

【0021】

ベローズ２５の大きさは、特に限定はないが、幅Ｗと高さＨとの比をＷ／Ｈとする。Ｗ／Ｈが大きい（１より大）、すなわちベローズ２５の各山の間隔が広く、低めである場合は、ベローズ２５の内側に残留した被処理液を洗浄しやすい。Ｗ／Ｈが低い（１より小）、すなわちベローズ２５の各山の間隔が狭く、高めである場合は、ベローズ２５が伸縮しやすい。Ｗ／Ｈは、具体的には、０．８～１．２、さらには伸縮可能でかつ山の高さが高すぎない形状として０．９０であることが好ましい。固定管板３０をシェル２０に固定、または着脱可能に固定する場合ではシェル２０で伸縮差を抑える必要があることから、伸縮性を重視する１未満のＷ／Ｈが有用であり、かつ洗浄性を維持するために、０．９±０．３程度にすることが好ましいからである。

【0022】

シェル２０の両端の開口は、固定管板３０が固定されている。この固定管板３０を覆うように半球状の上流蓋部材６１、及び下流蓋部材６２がそれぞれ装着されている。上流蓋部材６１と固定管板３０との間の空間を上流空間部６３、下流蓋部材６２と固定管板３０との間の空間を下流空間部６４と称する。上流空間部６３は、複数のチューブ１０に共通した流路を形成しており、上流蓋部材６１に設けられたチューブ流入口６５から上流空間部６３を介して各チューブ１０に液体が流通する。また、下流空間部６４は、複数のチューブ１０に共通した流路を形成しており、各チューブ１０からチューブ流出口６６を介して下流蓋部材６２に設けられたチューブ流出口６６に液体が流通する。

【0023】

固定管板３０は、シェル２０の開口に固定される円板状の部材である。図２の例では、固定管板３０の側面がシェル２０の内面に溶接されている。なお、固定管板３０がシェル２０に固定されるとは、少なくとも被処理液体を加熱している間においては固定管板３０がシェル２０に固定されていることをいう。したがって、被処理液体を加熱していない非運転時において固定管板３０がシェル２０から取り外すことが可能な構成であってもよい。このような着脱可能に固定するための固定管板３０の構成については後述する。

【0024】

また、固定管板３０には貫通孔３１が形成されており、貫通孔３１にはチューブ１０が接続されている。例えば、チューブ１０はその開口が貫通孔３１に挿通され、チューブ１０の外側側面が貫通孔３１に溶接されている。このような溶接は、特許第５４５１１１５号に開示された技術を適用することが好ましい。このように固定管板３０に両端部が支持されたチューブ１０は、上流空間部６３及び下流空間部６４に連通している。

【0025】

図１を用いて、熱交換器１を用いて被処理液体同士で熱交換させるための構成について説明する。なお、被処理液体としては、飲料、医薬などの液状製品であり、特に限定はない。

【0026】

本実施形態では、３台の熱交換器１が直列的に接続されている。すなわち、
熱交換器１Ａのチューブ流出口６６が熱交換器１Ｂのチューブ流入口６５に、
熱交換器１Ｂのチューブ流出口６６が熱交換器１Ｃのチューブ流入口６５に、
それぞれ配管を介して接続されている。

【0027】

このようにして３台の熱交換器１が直列的に接続された後では、熱交換器１Ｃのチューブ流出口６６が配管を介して多管式熱交換器７１のチューブ流入口６５に接続されている。多管式熱交換器７１のチューブ流出口６６から流出した被処理液体は、加熱装置群７２からの温水で加熱された後、多管式熱交換器１に熱媒として供給される。具体的には、多管式熱交換器７１のチューブ流出口６６が熱交換器１Ｃのシェル流入口２１に、熱交換器１Ｃのシェル流出口２２が熱交換器１Ｂのシェル流入口２１に、熱交換器１Ｂのシェル流出口２２が熱交換器１Ａのシェル流入口２１に、それぞれ配管を介して接続されている。

【0028】

このような構成の熱交換システム２では、被処理液体が熱交換器１Ａ、１Ｂ、１Ｃのチューブ１０を流通しながら、熱媒としての被処理液体によって加熱される。また、熱交換器１Ａ、１Ｂ、１Ｃで加熱された被処理液体は、加熱手段７０によって加熱された後に、熱媒として熱交換器１Ａ、１Ｂ、１Ｃのシェル２０に供給される。このように、熱交換器１Ａ、１Ｂ、１Ｃにおいては、被処理液体同士で熱交換が行われる。

【0029】

なお、熱交換器１Ａのシェル流出口２２から流出した被処理液体は、次工程に送られる。次工程は特に限定はないが、例えば、被処理液体を冷却するための熱交換器や、被処理液体を一時的に貯留するタンクや、被処理液体を容器に充填する充填機などが挙げられる。また、熱交換器１Ａのシェル流出口２２から流出した被処理液体を、再度、熱交換器１Ａのチューブ流入口６５に戻すように構成してもよい。

【0030】

もちろん、被処理液体がチューブ１０で加熱される場合に限定されず、冷却される構成であってもよい。この場合は、加熱手段７０に替えて、被処理液体を冷却するための冷却手段を備えれば良い。また、チューブ１０内を流れる被処理液体の方向と、シェル２０内を流れる熱媒体としての被処理液体の方向が向かい合う向流を例示したが、並流であってもよい。

【0031】

次に、図３（ａ）を用いて、固定管板３０をシェル２０に着脱可能に固定する着脱構造８０を備えた熱交換器１について説明する。なお、着脱構造８０は、シェル２０の片側だけを示すが、図示しない反対側でも同様である。

【0032】

着脱構造８０は、シール部材８１と、被クランプ部材８４と、クランプ部材８５と、を備えている。

【0033】

固定管板３０は、その一部がシェル２０の開口から外側に向けて突出している。この突出した一部を突出部３３と称する。固定管板３０の突出部３３には外周面に沿った溝部３２（図３（ｂ）参照）が形成されている。また、シェル２０の開口には、外側に突出したフランジ部２３が形成されている。

【0034】

シール部材８１は、ＥＰＤＭにＰＴＦＥを被覆したゴム材からなる環状のガスケット８２と、ＳＵＳなどからなる環状のガスケットリング８３とから構成されている。もちろん、ガスケット８２やガスケットリング８３の材料はこれらに限定されない。ガスケット８２は、固定管板３０の外周面と、シェル２０の開口近傍の内面との間を埋めるように配置されている。ガスケットリング８３は、固定管板３０の外周面に沿って装着され、シェル２０の開口の一部に接するように配置されている。

【0035】

被クランプ部材８４は、固定管板３０の外周面に沿う弧状の２つの部材であり、例えばＳＵＳから形成されている。２つの弧状の部材の両端同士を連結すると、固定管板３０の外周面に沿う環状の部材となる。また、被クランプ部材８４の一部はその溝部３２に嵌合し、別の一部はフランジ部２３に接している。

【0036】

クランプ部材８５は、シェル２０の外周面及び被クランプ部材８４の外周面に沿う弧状の二つの部材であり、例えばＳＵＳから形成されている。２つの弧状部材の両端同士は、図示しないボルト及びナットなどの締結部材によって固定することが可能となっている。

【0037】

被クランプ部材８４とシェル２０の開口（フランジ部２３）とが接した状態で、それらの外側から挟み込むようにして２つのクランプ部材８５が取り付られている。そして、それらのクランプ部材８５の両端同士が図示しない締結部材で固定されている。

【0038】

これにより、被クランプ部材８４が固定管板３０の突出部３３に向けて荷重を掛けた状態が維持されている。すなわち、クランプ部材８５の荷重によって、固定管板３０がシェル２０の開口近傍に固定されている。さらに被クランプ部材８４は、固定管板３０の溝部３２に嵌合しているので、固定管板３０がシェル２０の長手方向に沿って移動することをより確実に防止することができる。

【0039】

また、締結部材を解除してクランプ部材８５を取り外すことで、シール部材８１、被クランプ部材８４を取り外すことができる。この結果、シェル２０からチューブ１０とともに固定管板３０を取り外すことができる。このような着脱構造８０によれば、固定管板３０をシェル２０に着脱可能に固定することが可能となっている。

【0040】

なお、シール部材８１は、上述したように２つの部材に限定されない。シール部材８１は、シェル２０の内面と固定管板３０の側面との間を液密にするための構成であればよく、個数としては上述したように２つに限らず１つ又は３つ以上でもよいし、材質もＥＰＤＭ、ＰＴＦＥやＳＵＳに限定されない。さらに、被クランプ部材８４としては、上述したような２つの弧状の部材に限定されず、クランプ部材８５が内側に締め付ける力を固定管板３０に伝達することができる部材であればよい。

【0041】

また、上流蓋部材６１、及び図示しない下流蓋部材６２は、固定管板３０の突出部３３に着脱可能であってもよい。図３（ａ）に示す例では、上流蓋部材６１側に面した固定管板３０の表面の外周近傍を周縁部３４とする。上流蓋部材６１は、その開口部６１ａが周縁部３４に接した状態で、クランプ部材９０によって固定管板３０の突出部３３に着脱可能に取り付けられている。

【0042】

図３（ｂ）には上流蓋部材６１を固定管板３０ではなくシェル２０に固定した場合を示す。具体的には、上流蓋部材６１は、開口部６１ａが突出部３３の外側を覆うような配置となっており、その状態で被クランプ部材８４などとともにクランプ部材８５によりシェル２０に着脱可能に固定されている。

【0043】

図３（ａ）、図３（ｂ）における、上流蓋部材６１の開口部６１ａの開口幅のそれぞれをφｄ、φＤとする。図３（ａ）では、開口幅φｄは、固定管板３０の直径よりも小さくできる、一方、図３（ｂ）では、開口幅φＤは、固定管板３０の直径よりも大きくなる。すなわち、開口幅の関係は、φＤ＞φｄとなる。

【0044】

したがって、図３（ａ）の上流蓋部材６１の内部を流通する流体の流速を早くすることができ、この結果、熱交換器１の洗浄性が向上する。

【0045】

また、図３（ａ）の構成においては、固定管板３０の表面（上流蓋部材６１側の面）と上流蓋部材６１の開口部６１ａとの間にシール部材１００を配置できる。一方、図３（ｂ）の構成においては、固定管板３０の外周面と上流蓋部材６１の内周面との間にシール部材１０１を配置できる。図３（ｂ）のシール部材１０１は、固定管板３０の外周に位置するため、流体の流れから離れているのに対し、図３（ａ）のシール部材１００は、流体の流れに近い。したがって、図３（ａ）のように上流蓋部材６１をシェル２０に固定した構造の方が洗浄性を向上させることができる。なお、上流蓋部材６１について説明したが、下流蓋部材６２についても同様の作用効果がある。

【0046】

次に、図４－図７を用いてバッフル板４０について説明する。バッフル板４０は、第１挿通孔５１及び第２挿通孔５２を有する円板状の部材である。バッフル板４０は、少なくとも２枚以上、本実施形態では６枚がシェル２０の内部において固定管板３０の間に配置されている。以後、これらの６枚について個別に説明するときはバッフル板４１～４６と称し、区別せずに説明するときはバッフル板４０と称する。

【0047】

第１挿通孔５１は、複数のチューブ１０が挿通可能な貫通孔である。本実施形態では、バッフル板４０に半月状の貫通孔からなる第１挿通孔５１が一個形成されている。また、第１挿通孔５１と、複数のチューブ１０との間には隙間Ｓ１が確保されている。

【0048】

第２挿通孔５２は、一本のチューブ１０が挿通可能な貫通孔である。本実施形態では、バッフル板４０に円形状の貫通孔からなる第２挿通孔５２が６個形成されている。また、第２挿通孔５２と、チューブ１０との間の隙間Ｓ２は実質的にゼロである。

【0049】

図６は、各バッフル板４１からバッフル板４６の配置を示す図である。同図のシェル２０の下側には、平面視のバッフル板４１からバッフル板４６を示している。

【0050】

バッフル板４３及びバッフル板４４は、少なくとも２枚のバッフル板であり、これらのバッフル板４３及びバッフル板４４の間に上述したベローズ２５が配置されている。バッフル板４３及びバッフル板４４は、シェル２０に配置された状態における平面視（つまりシェル２０の開口を正面から見る方向における平面視）において、バッフル板４３及びバッフル板４４の第１挿通孔５１同士が重なっている。そして、バッフル板４３及びバッフル板４４は、鉛直方向において第１挿通孔５１が第２挿通孔５２よりも上方になるように配置されている。

【0051】

バッフル板４１及びバッフル板４６は、鉛直方向において第１挿通孔５１が第２挿通孔５２よりも下方になるように配置されている。また、バッフル板４２は第１挿通孔５１が右側になるように配置され、バッフル板４５は第１挿通孔５１が左側になるように配置されている。

【0052】

各チューブ１０は、チューブ１０の配置に応じて、各バッフル板４０の第１挿通孔５１又は第２挿通孔５２の何れかを挿通している。例えば、あるチューブ１０は、バッフル板４１、バッフル板４２、バッフル板４５及びバッフル板４６では第２挿通孔５２を挿通し、バッフル板４３及びバッフル板４４では第１挿通孔５１を挿通している。

【0053】

図７を用いて、バッフル板４３及びバッフル板４４について詳細に説明する。バッフル板４３及びバッフル板４４の鉛直方向における上半分側の一部を第１領域Ｒ１、下半分側の一部を第２領域Ｒ２と称する。

【0054】

第１領域Ｒ１には、第１挿通孔５１が設けられており、第１挿通孔５１には複数本のチューブ１０が挿通されている。第１領域Ｒ１では、第１挿通孔５１とチューブ１０との間に隙間Ｓ１がある。この隙間Ｓ１に熱媒としての被処理液体が流通する。

【0055】

第２領域Ｒ２には、複数の第２挿通孔５２が設けられており、各第２挿通孔５２にはチューブ１０が挿通されている。第２挿通孔５２とチューブ１０との間の隙間Ｓ２は実質的には無いので、第２領域Ｒ２では、熱媒としての被処理液体が流通しない。

【0056】

このようなバッフル板４３及びバッフル板４４をシェル２０に配置することにより、シェル２０の流路の断面積は実質的に隙間Ｓ１の面積に絞られることになる。このため、シェル２０の流路においては、バッフル板４３からバッフル板４４に亘り、鉛直方向における上半分側の流速が下半分側よりも相対的に早くなる（図６の流速を示す矢印参照）。

【0057】

バッフル板４３とバッフル板４４との間にはベローズ２５が設けられている。特に上側のベローズ２５には、熱媒としての被処理液体に含まれる気泡が滞留する可能性がある。しかしながら、シェル２０の上半分側においては、バッフル板４３及びバッフル板４４により被処理液体の流速が早くなっているので、その気泡を下流に向けて排除しやすくなっている。ベローズ２５に気泡が滞留すると焦げ付く虞があるが、気泡が排除されやすくなっているので、焦げ付きを抑制することができる。

【0058】

以上に説明したように、熱交換器１及びこれを備える熱交換システム２は、被処理液体同士で熱交換を行うよう構成され、ベローズ２５を備えるシェル２０に固定管板３０が固定されている。

【0059】

従来では、熱交換器１についても加熱手段７０を設ける必要があったので、熱回収率を向上することができなかった。しかし、熱交換器１及び熱交換システム２は加熱手段７０によって加熱された被処理液体を熱媒として熱交換器１で利用するので、熱回収率が向上する。

【0060】

また、熱交換器１及び熱交換システム２は、チューブ１０が固定管板３０を介してシェル２０に固定されていても、チューブ１０とシェル２０の熱による伸縮差はベローズ２５によって吸収することができる。

【0061】

さらに、シェル２０に対して移動可能な遊動管板ではなくシェルに固定された固定管板３０としたことで、固定管板３０とシェル２０とを溶接して隙間をなくし、あるいは図３のように隙間にシール部材８１を配置できる。これにより、当該隙間に被処理液体が付着することがないし、洗浄すれば被処理液体の残留をより確実に防ぐことができる。このように本実施形態の熱交換器１及び熱交換システム２によれば、チューブ１０とシェル２０の伸縮差を吸収し、被処理液体の洗浄性及び熱回収率を向上することができる。

【0062】

また、熱交換器１は、固定管板３０をシェル２０に着脱可能に固定する着脱構造８０を備えている。これにより、チューブ１０と共に固定管板３０をシェル２０から取り外せるので、例えば洗浄後にシェル２０の内部が確実に洗浄されているかを目視で確認することができる。

【0063】

また、熱交換器１は、着脱構造８０として、シール部材８１、被クランプ部材８４、クランプ部材８５を備えている。これによれば、簡易な構造で容易に着脱することができる着脱構造８０を実現することができる。

【0064】

また、熱交換器１は、上流蓋部材６１、下流蓋部材６２を固定管板３０の突出部３３に着脱可能に取り付けられるものとした。上流蓋部材６１及び下流蓋部材６２をシェル２０に着脱しないので、シェル２０に上流蓋部材６１及び下流蓋部材６２を取り付ける部分の摩耗を回避できる。また、図３（ａ）に示したように、上流蓋部材６１の内部を流通する流体の流速を早くすることができ、この結果、熱交換器１の洗浄性が向上する。さらに、流体の流れに近い、上流蓋部材６１と固定管板３０の表面との間にシール部材１００を配置できる。これにより、シール部材１００に対する洗浄性を向上させることができる。

【0065】

また、熱交換器１は、ベローズ２５がシェル２０の内部に装着したバッフル板４３及びバッフル板４４の間に設けられている。この構成により、シェル２０の内部を流通する熱媒としての被処理液体に含まれる気泡がベローズ２５の窪みに入り込んだとしても、バッフル板４３及びバッフル板４４によって高速化された流速によって気泡をシェル２０の外へ排出することができる。気泡をシェル２０の外へ排出できるので、気泡による熱交換性能の低下や、気泡周辺における被処理液体の焦げ付きをより確実に防止することができる。

【0066】

このように、本実施形態の熱交換器１によれば、チューブ１０とシェル２０の伸縮差により生ずる応力を低減し、気泡の滞留を抑制できるという効果を奏する。

【0067】

本実施形態の熱交換器１は、第１挿通孔５１及び第２挿通孔５２を有し、隙間Ｓ１の面積が隙間Ｓ２の面積よりも大きくなっている。このようなバッフル板４３及びバッフル板４４は、シェル２０の鉛直方向の上半分側において被処理液体の流速を速めるために適した形状であるので、より確実に、流速による気泡の排出性を向上させることができる。

【0068】

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の基本的な構成は上述したものに限定されるものではない。

【0069】

図１では伸縮部としてベローズ２５を例示したが、これに限定されない。図８に示すように伸縮部としてダイアフラム２９を用いてもよい。図８（ａ）に示すシェル２０Ａは、管状の部材である第１シェル２６及び第２シェル２７がダイアフラム２９によって連結されている。ダイアフラム２９が伸縮することで、チューブ（図示せず）とシェル２０Ａとの熱による伸縮差が吸収される。

【0070】

また、図８（ｂ）に示すシェル２０Ｂは、第１シェル２６の一方の開口が徐々に拡径した広径部２８となっている。この広径部２８がダイアフラム２９によって第２シェル２７に連結されている。このように、開口径が異なる二つの管状の第１シェル２６及び第２シェル２７をダイアフラム２９によって連結させてもよい。

【0071】

図１に示した熱交換システム２では、３台の熱交換器１を直列に接続したものを例示したがこれに限定されない。熱交換器１の台数は１台又は複数台でよい。また、加熱手段７０を構成する機器として多管式熱交換器７１を用いたが、これに限定されない。多管式以外、例えばプレート式の熱交換器でもよい。

【0072】

また、バッフル板４３及びバッフル板４４の間にベローズ２５が位置させる必要はない。すなわち、ベローズ２５の位置に関係なくバッフル板４０を配置してもよい。

【0073】

バッフル板４０に設けた第１挿通孔５１に挿通させるチューブ１０の本数や配置は、図７に示したものに限定されず、任意に設定することができる。また、第２挿通孔５２の個数及び配置についても図７に示したものに限定されず、任意に設定することができる。

【0074】

また、バッフル板４３及びバッフル板４４は、上述したような形状に限定されない。例えば、第１挿通孔５１は一つではなく複数あってもよい。第１挿通孔５１が複数ある場合は、複数の第１挿通孔５１についてチューブ１０との隙間の面積を合計したものが隙間Ｓ２の面積よりも広くなればよい。

【0075】

また、第１挿通孔５１がバッフル板４３及びバッフル板４４の上半分側の第１領域Ｒ１にのみ設けられている必要はない。例えば、第１挿通孔５１の一部が下半分側にまで拡張されていてもよい。この場合、第１挿通孔５１とチューブ１０との隙間のうち、上半分の第１領域Ｒ１内の面積を採用すればよい。また、第２挿通孔５２とチューブ１０との間の隙間Ｓ２は、実質的にゼロとしたが、これに限定されない。

【0076】

バッフル板４３及びバッフル板４４は円板状とし、シェル２０の内周面に接触するような形状としたがこれに限定されない。例えば、バッフル板を半月状とし、シェル２０の鉛直方向における下側に取り付けてもよい。シェル２０の鉛直方向の下側に配置されたバッフル板により、シェル２０の断面積が小さくなるので、シェル２０の鉛直方向の上側において液体の流速を速めることができる。

【0077】

結局、どのような形状の第１挿通孔５１及び第２挿通孔５２であっても、シェル２０により形成された流路のうち、鉛直方向における上半分側で流速が速く、下側部分で流速が遅くなるようにバッフル板の形状及び配置を構成すればよい。

【0078】

また、バッフル板４３及びバッフル板４４は、第１挿通孔５１が平面視で重なるように配置されていたが、これに限定されない。すなわち、バッフル板４３及びバッフル板４４の第１挿通孔５１は平面視で一部が重なっていればよい。さらに、バッフル板４３及びバッフル板４４の第１挿通孔５１の形状は異なっていてもよい。

【0079】

また、図２には、半球状の上流蓋部材６１、下流蓋部材６２を例示したがこのような形状に限定されない。図９に上流蓋部材６１Ａ、下流蓋部材６２Ａの変形例を示す。

【0080】

上流蓋部材６１Ａは、先端のチューブ流入口６５から徐々に拡径した漏斗状の形状を有している。チューブ流入口６５とは反対側の広い開口部は、シェル２０の開口に連結されている。下流蓋部材６２Ａについても同様である。

【0081】

また上流蓋部材６１のチューブ流入口６５と、下流蓋部材６２Ａのチューブ流出口６６は、シェル２０が延びる方向から見てズレている。つまり、チューブ流入口６５とチューブ流出口６６は、シェル２０の中心Ｃから偏心している。

【0082】

このように上流蓋部材、下流蓋部材の形状は漏斗状であってもよいし、先に示したように半球状であってもよいし、形状に限定はない。さらに、チューブ流入口及びチューブ流出口の配置についても、図９のように偏心していてもよいし、図示しないがシェル２０の中心に合うように配置されていてもよい。

【符号の説明】

【0083】

Ｓ１、Ｓ２…隙間、１…多管式熱交換器（熱交換器）、２…熱交換システム、１０…チューブ、２０、２０Ａ、２０Ｂ…シェル、２５…ベローズ（伸縮部）、２９…ダイアフラム（伸縮部）、３０…固定管板、３３…突出部、４０～４６…バッフル板、５１…第１挿通孔、５２…第２挿通孔、６１…上流蓋部材（蓋部材）、６２…下流蓋部材（蓋部材）、７０…加熱手段、８０…着脱構造、８１…シール部材、８４…被クランプ部材、８５、９０…クランプ部材

【要約】

【課題】シェルとチューブの伸縮差を吸収し、被処理液体の洗浄性及び熱回収率を向上することができる多管式熱交換器及び熱交換システムを提供する。
【解決手段】シェル２０、複数のチューブ１０、及びチューブ１０の両端部を支持する固定管板３０を備え、固定管板３０は、シェル２０に固定され、シェル２０は、長手方向に伸縮するベローズ２５を有し、チューブ１０及びシェル２０に同じ被処理液体を流通させ、被処理液体同士で熱交換するように構成されている。
【選択図】図２

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】